DE102015100757B3 - Module with stress-free attached MEMS device - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Modul angegeben, bei dem ein MEMS-Bauelement über einen breiten Temperaturbereich spannungsfrei über mechanische Verbindungen mit einem Träger verbunden ist. Dazu umfasst eine mechanische Verbindung eine Kompensationsstruktur, die durch einen horizontalen Absatz einen horizontalen Versatz von Befestigungspunkten überbrückt und deren Temperatur-Ausdehnungskoeffizient geeignet gewählt ist.The invention relates to a module in which a MEMS component is connected to a carrier in a stress-free manner over a wide temperature range via mechanical connections. For this purpose, a mechanical connection comprises a compensation structure which bridges a horizontal offset of fixing points by a horizontal shoulder and whose temperature expansion coefficient is suitably selected.
Description
Die Erfindung betrifft Module, bei denen ein MEMS-Bauelement über einen breiten Temperaturbereich spannungsfrei befestigt ist.The invention relates to modules in which a MEMS device is fastened stress-free over a wide temperature range.
MEMS-Bauelemente (MEMS = Micro-Electro-Mechanical System) umfassen mechanisch aktive Strukturen, die häufig empfindlich auf mechanische Spannungen reagieren. Ein MEMS-Bauelement kann beispielsweise ein elektroakustischer Wandler sein, der zusammen mit einem ASIC-Chip (ASIC = Application Specific Integrated Circuit) auf einem Träger eines Mikrofon-Moduls befestigt und verschaltet ist. Der Wandler kann dabei eine schwingfähige Membran und eine Rückplatte (englisch: back plate) aufweisen, die zwei Elektroden eines Kondensators bilden. Schwingungen der Membran relativ zur Rückplatte bedingen eine zeitlich variierende Kapazität. Durch Auswerten der Kapazität, z. B. durch einen ASIC, kann ein Tonsignal in ein elektrisches Signal gewandelt werden.MEMS devices (MEMS = Micro-Electro-Mechanical System) comprise mechanically active structures that are often sensitive to mechanical stress. A MEMS component can be, for example, an electroacoustic converter which is fastened and interconnected together with an ASIC chip (Application Specific Integrated Circuit) on a support of a microphone module. The transducer can have a vibratable membrane and a back plate (English: back plate), which form two electrodes of a capacitor. Vibrations of the membrane relative to the back plate cause a time-varying capacity. By evaluating the capacity, eg. B. by an ASIC, a sound signal can be converted into an electrical signal.
Problematisch ist, dass Träger und das Material des Wandlers im Allgemeinen verschiedene thermische Ausdehnungskoeffizienten (CTE: Coefficient of Thermal Expansion) aufweisen. Bei einer Temperaturänderung werden mechanische Spannungen über die Verbindungen zwischen Träger und Wandler an den Wandler weitergegeben. Mechanische Spannungen im Wandler verhindern ein ungestörtes Arbeiten der mechanischen Strukturen, sodass sich Temperaturänderungen negativ auf die Signalqualität des Mikrofons auswirken.The problem is that the carrier and the material of the transducer generally have different coefficients of thermal expansion (CTE). When the temperature changes, mechanical stresses are transmitted to the converter via the connections between the carrier and the converter. Mechanical stresses in the transducer prevent undisturbed working of the mechanical structures, so that temperature changes have a negative effect on the signal quality of the microphone.
Temperaturinduzierte Störungen gibt es nicht nur bei Mikrofonen. Prinzipiell sind alle MEMS-Bauelement, z. B. auch Drucksensoren oder mit akustischen Wellen arbeitende Filterkomponenten, betroffen.Temperature-induced disturbances are not unique to microphones. In principle, all MEMS device, z. As well as pressure sensors or working with acoustic waves filter components affected.
Die
Die
Der anhaltende Trend zu immer weitergehender Miniaturisierung, der z. B. dünnere MEMS-Bauelements verlangt, verstärkt diese Problematik, denn dünnere Bauelement verformen sich unter Einwirkung äußerer Kräfte stärker.The ongoing trend towards ever-increasing miniaturization, the z. As thinner MEMS device requires, amplifies this problem, because thinner component deform more under the influence of external forces.
Das Einleiten mechanischer Spannungen in MEMS-Bauelement könnte durch weiche, leicht verformbare Federelemente als Verbindungsglieder zwischen Träger und MEMS-Bauelement verringert werden. Dann würde jedoch auch die mechanische Stabilität der Verbindung reduziert und entsprechende Module könnten Belastungstests, z. B. Falltests, nicht mehr bestehen.The introduction of mechanical stresses in MEMS device could be reduced by soft, easily deformable spring elements as links between the carrier and MEMS device. Then, however, the mechanical stability of the connection would be reduced and corresponding modules could stress tests, z. As fall tests, no longer exist.
Es besteht deshalb der Wunsch nach Modulen, die die widersprüchlichen Anforderungen: mechanische Stabilität bei gleichzeitig spannungsfreier Befestigung des MEMS-Bauelements erfüllen und ferner eine weitergehende Miniaturisierung erlauben, ohne Kompromisse bei der Signalqualität eingehen zu müssen.There is therefore a desire for modules that meet the contradictory requirements: mechanical stability with simultaneous stress-free attachment of the MEMS device and also allow further miniaturization without having to compromise on the signal quality.
Dazu werden im Folgenden ein Modul sowie verschiedene vorteilhafte Eigenschaften, die einzeln oder in Zusammenwirkung das nachfolgend beschriebene Modul gemäß unabhängigem Anspruch 1 verbessern können, angegeben. Abhängige Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen des Moduls an.For this purpose, a module as well as various advantageous properties, which can individually or in combination improve the module described below according to independent claim 1, are given below. Dependent claims indicate advantageous embodiments of the module.
Das Modul umfasst einen Träger mit einem ersten Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten K1, einem ersten Befestigungspunkt und einem zweiten Befestigungspunkt. Das Modul umfasst ferner ein MEMS-Bauelement mit MEMS-Strukturen, einem zweiten Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten K2, der vom ersten Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten K1 verschieden ist, einem ersten Befestigungspunkt und einem zweiten Befestigungspunkt. Ferner umfasst das Modul eine erste mechanische Verbindung zwischen dem ersten Befestigungspunkt des Trägers und dem ersten Befestigungspunkt des Bauelements. Außerdem hat das Modul eine zweite mechanische Verbindung zwischen dem zweiten Befestigungspunkt des Trägers und dem zweiten Befestigungspunkt des Bauelements. Die zweite mechanische Verbindung hat eine Kompensationsstruktur mit einem Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten KK. Die zwei Befestigungspunkte am MEMS-Bauelement haben einen horizontalen Abstand d1 und die Befestigungspunkte auf dem Träger haben einen horizontalen Abstand d2. Die Werte für d1 und d2 sind so gewählt, dass die Kompensationsstruktur bei einer Temperaturänderung die unterschiedlichen Längenänderungen von d1 und d2 kompensiert, sodass das MEMS-Bauelement bei verschiedenen Temperaturen spannungsfrei, aber fest mit dem Träger verbunden ist.The module comprises a carrier having a first temperature expansion coefficient K 1 , a first attachment point and a second attachment point. The module further comprises a MEMS device with MEMS structures, a second temperature expansion coefficient K 2 , which is different from the first temperature expansion coefficient K 1 , a first attachment point and a second attachment point. Furthermore, the module comprises a first mechanical connection between the first attachment point of the carrier and the first attachment point of the component. In addition, the module has a second mechanical connection between the second attachment point of the carrier and the second attachment point of the device. The second mechanical connection has a compensation structure with a temperature expansion coefficient K K. The two attachment points on the MEMS device have a horizontal distance d 1 and the attachment points on the carrier have a horizontal distance d 2 . The values for d 1 and d 2 are selected so that the compensation structure compensates for the different changes in length of d 1 and d 2 when the temperature changes, so that the MEMS component is connected to the carrier without voltage but at different temperatures.
Es wurde herausgefunden, dass mechanische Verbindungen zwischen dem Träger und dem Bauelement so dimensioniert werden können und ihr Material, insbesondere ihre Ausdehnungskoeffizienten, so gewählt werden können, dass sich unterschiedliche Temperatur induzierte Längenänderungen exakt kompensieren lassen. Die mechanischen Verbindungen können dabei sehr massiv ausgeführt und dadurch extrem stabil sein, da sie keine mechanische Verformungsenergie aufnehmen müssen, um als Ausdehnungs-Puffer zwischen Träger und Bauelement zu wirken. Ein solches Modul kann deshalb eine mechanisch extrem stabile Verbindung zwischen Träger und Bauelement aufweisen, ohne dass die Funktionsweise des Bauelements durch eine mechanische Spannung beeinträchtigt wird. Deshalb ist es auch möglich, das Bauelement so dünn auszugestalten, dass den Anforderungen bezüglich der Kompaktheit genügt wird.It has been found that mechanical connections between the carrier and the device can be dimensioned and their material, in particular their coefficients of expansion, can be selected to induce different temperatures Allow length changes to be compensated exactly. The mechanical connections can be made very solid and thus extremely stable, since they need not absorb any mechanical deformation energy to act as an expansion buffer between the carrier and the component. Such a module can therefore have a mechanically extremely stable connection between the carrier and the component, without the functioning of the component being adversely affected by a mechanical stress. Therefore, it is also possible to design the component so thin that the requirements in terms of compactness is satisfied.
Zwar könnte auf die Kompensationsstruktur verzichtet werden, falls nur eine einzige mechanische Verbindung zwischen Träger und Bauelement existiert, denn dann könnten beide Körper ihren unterschiedlichen Längenausdehnungen ungestört nachgehen. Allerdings sollen die mechanischen Verbindungen in der Regel auch gleichzeitig elektrische Signalwege darstellen, sodass eine größere Anzahl an Verbindungen, z. B. zwei, drei oder vier, existieren.Although it could be dispensed with the compensation structure, if only a single mechanical connection between the carrier and the component exists, because then both bodies could pursue their different length extensions undisturbed. However, the mechanical connections should usually also represent electrical signal paths at the same time, so that a larger number of connections, for. B. two, three or four exist.
Im einfachsten Fall gibt es zwei mechanische Verbindungen zwischen Träger und Bauelement. In einer solchen Ausführungsform überbrückt die Kompensationsstruktur den Abstand Δd = d2 – d1 entlang der Verbindungsrichtung zwischen den beiden Befestigungspunkten. Ferner gilt: In the simplest case, there are two mechanical connections between the carrier and the component. In such an embodiment, the compensation structure bridges the distance Δd = d 2 -d 1 along the connecting direction between the two attachment points. Furthermore:
D. h. die Abstände d und die Ausdehnungskoeffizienten K sind entsprechend gewählt. Dazu gibt es mehrere Möglichkeiten: Bei gegebenen Ausdehnungskoeffizienten (die im Allgemeinen durch die Wahl der Materialien gegeben sind) können die Abstände der Befestigungspunkte gewählt werden. Insbesondere reicht es aus, einen der beiden Abstände zu wählen, wenn der jeweils andere und die Koeffizienten gegeben sind. Eine andere Möglichkeit bei gegebenen Abständen ist es, das Material der Kompensationsstruktur, das Material des Trägers oder das Material des Bauelements entsprechend der Gleichung zu wählen.Ie. the distances d and the expansion coefficients K are chosen accordingly. There are several possibilities for this: For given coefficients of expansion (which are generally given by the choice of materials), the distances of the attachment points can be selected. In particular, it is sufficient to choose one of the two distances if the other one and the coefficients are given. Another possibility at given distances is to choose the material of the compensation structure, the material of the carrier or the material of the component according to the equation.
Die Bedeutung der Größen und die Funktionsweise der Kompensationsstruktur sind dabei in den
Es ist möglich, dass der Ausdehnungskoeffizient KK der Kompensationsstruktur größer als der Größere der beiden Werte K1 und K2 ist:
Alternativ ist es möglich, dass der Ausdehnungskoeffizient KK kleiner als der Kleinere der beiden Werte K1 und K2 ist. Entsprechend gilt:
Es ist ferner möglich, dass die Kompensationsstruktur einen horizontalen Abschnitt umfasst, der auf oder oberhalb des Trägers angeordnet ist.It is also possible that the compensation structure comprises a horizontal section which is arranged on or above the carrier.
Insbesondere der horizontale Abschnitt dient bei einer Längenänderung des Trägers und des Bauelements durch eine eigene Längenänderung, die entsprechend angepasst ist, dazu, Spannungen zu vermeiden. Der horizontale Abschnitt überbrückt dabei einen horizontalen Bereich und verläuft im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des Trägers. Allerdings ist es auch möglich, dass der horizontale Abschnitt in einem mehr oder weniger flachen Winkel auch die Höhendifferenz zwischen der Oberseite des Trägers und der Unterseite des Bauelements überbrückt.In particular, the horizontal section is used in a change in length of the carrier and the component by a separate change in length, which is adjusted accordingly, to avoid stresses. The horizontal section bridges a horizontal area and runs essentially parallel to the surface of the carrier. However, it is also possible that the horizontal section at a more or less flat angle also bridges the height difference between the top of the carrier and the bottom of the device.
Prinzipiell genügt eine einzige elektrische Verbindung, die auch gleichzeitig eine mechanische Verbindung sein kann, um ein Signal vom MEMS-Bauelement zum Träger weiterzuleiten. So könnte das Bauelement eine einzige floatende Elektrode aufweisen.In principle, a single electrical connection is sufficient, which can also be a mechanical connection at the same time, in order to forward a signal from the MEMS component to the carrier. Thus, the device could have a single floating electrode.
Allerdings ist es im Allgemeinen bevorzugt, zumindest ein Schaltungselement im Bauelement mit einer Spannung bzw. mit einem Strom zu beaufschlagen, sodass eine Mindestanzahl von zwei elektrischen Verbindungen bevorzugt ist. Wird eine weitere mechanische Verbindung hinzugefügt und das Bauelement an drei Punkten abgestützt, wird die mechanische Stabilität der Aufhängung noch einmal deutlich verbessert. Die Zahl der mechanischen und elektrischen Verbindungen zwischen Träger und Bauelement kann dabei noch deutlich größer sein. Ist das Bauelement z. B. ein elektroakustischer Wandler und umfasst mehrere Membranen oder mehrere Rückplatten, die jeweils mit einem elektrischen Potenzial beaufschlagt sein sollen, so können auch vier, fünf oder sechs elektrische Verbindungen zwischen Träger und Bauelement vorgesehen sein.However, it is generally preferred to apply a voltage or a current to at least one circuit element in the component, so that a minimum number of two electrical connections is preferred. If a further mechanical connection is added and the component is supported at three points, the mechanical stability of the suspension is again significantly improved. The number of mechanical and electrical connections between the carrier and the component can still be significantly greater. Is the device z. Example, an electro-acoustic transducer and comprises a plurality of membranes or a plurality of back plates, which are to be acted upon in each case with an electric potential, so four, five or six electrical connections between the carrier and the device may be provided.
Es ist deshalb möglich, dass das Modul eine oder mehrere zusätzliche Kompensationsstrukturen, die zusätzliche Befestigungspunkte des Trägers mit zusätzlichen Befestigungspunkten des Bauelements verbinden, umfasst.It is therefore possible for the module to include one or more additional compensation structures connecting additional attachment points of the carrier to additional attachment points of the device.
Zumindest eine der mechanischen Verbindungen, aber bevorzugt mehrere oder alle mechanischen Verbindungen, umfassen dabei eine Kompensationsstruktur, die zusammen mit den übrigen Kompensationsstrukturen bei einer Temperaturänderungen die unterschiedlichen Längenänderungen von Träger und MEMS-Bauelement kompensiert. Die einzelnen mechanischen Verbindungen und/oder deren Kompensationsstrukturen können dabei den gleichen Aufbau haben und aus den gleichen Materialien ausgewählt sein. Hat das Modul mehr als zwei Kompensationsstrukturen, so ist es nicht länger möglich, die Kompensationsstrukturen entlang einer Verbindungslinie zwischen zwei Befestigungspunkten auszurichten. Vielmehr hat ein solches Modul ein gemeinsames Zentrum, von dem aus gesehen die Kompensationsstrukturen in radialer Richtung angeordnet sind. Bei mehr als zwei Kompensationsstrukturen erhöht sich die Dimensionalität der Geometrie der Anordnungen der Kompensationsstrukturen. Bei lediglich zwei Befestigungspunkten pro Körper ist die unterschiedliche Längenausdehnung ein eindimensionales Problem. Bei drei oder mehr Kompensationsstrukturen liegen unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten in zwei Dimensionen vor, wobei jeder Ausdehnungskoeffizient K1, K2, KK verschiedene Komponenten in x- bzw. y-Richtung aufweisen kann.At least one of the mechanical connections, but preferably several or all mechanical connections, comprise in this case a compensation structure which, together with the other compensation structures, with a temperature change, the different changes in length of Compensated carrier and MEMS device. The individual mechanical connections and / or their compensation structures can have the same structure and be selected from the same materials. If the module has more than two compensation structures, it is no longer possible to align the compensation structures along a connecting line between two attachment points. Instead, such a module has a common center, from which the compensation structures are arranged in the radial direction. With more than two compensation structures, the dimensionality of the geometry of the arrangements of the compensation structures increases. With only two attachment points per body, the different length expansion is a one-dimensional problem. In the case of three or more compensation structures, different expansion coefficients exist in two dimensions, wherein each expansion coefficient K 1 , K 2 , K K can have different components in the x or y direction.
Sind die Ausdehnungskoeffizienten isotrop, alle Kompensationsstrukturen gleich aufgebaut und rotationssymmetrisch um ein gemeinsames Zentrum angeordnet, lässt sich die unterschiedliche Temperaturausdehnung wieder auf ein eindimensionales Problem zurückführen, für das Gleichung (1) gilt. Dabei stellen die Größen d1 und d2 die Abstände des jeweiligen Befestigungspunkts der Kompensationsstruktur vom gemeinsamen Zentrum dar.If the expansion coefficients are isotropic, all compensation structures have the same structure and are arranged rotationally symmetrical about a common center, the different temperature expansion can again be attributed to a one-dimensional problem for which equation (1) holds. The sizes d 1 and d 2 represent the distances of the respective attachment point of the compensation structure from the common center.
Es ist möglich, dass der Träger ein keramisches Material oder ein organisches Material, z. B. ein Leiterplattenmaterial und/oder BCB (Benzocyclobuten) umfasst.It is possible that the carrier may be a ceramic material or an organic material, e.g. B. includes a printed circuit board material and / or BCB (Benzocyclobuten).
Es ist ferner möglich, dass das MEMS-Bauelement einen Körper aus einem Halbleitermaterial, z. B. Si (Silizium), umfasst.It is also possible that the MEMS device comprises a body made of a semiconductor material, for. Si (silicon).
Der Träger kann dabei mehrere dielektrische Lagen, zwischen denen strukturierte Metallisierungslagen angeordnet sind, aufweisen.The carrier can have a plurality of dielectric layers, between which structured metallization layers are arranged.
Es ist möglich, dass zumindest eine Kompensationsstruktur oder alle Kompensationsstrukturen ein Metall umfassen. Das Metall kann beispielsweise Cu (Kupfer), Ag (Silber), Au (Gold), Ni (Nickel) oder ein weiteres Metall sein, das mit üblichen Materialabscheidungsprozessen an der Oberseite des Trägers aufgebracht werden kann.It is possible that at least one compensation structure or all compensation structures comprise a metal. The metal may be, for example, Cu (copper), Ag (silver), Au (gold), Ni (nickel), or another metal that may be deposited on the top of the support by conventional material deposition processes.
Es ist vorteilhaft, wenn alle Kompensationsstrukturen radialsymmetrisch um ein gemeinsames Zentrum angeordnet sind. Die Kompensationsstrukturen brauchen dabei nicht alle den gleichen Abstand zum Zentrum aufweisen. Es ist ebenso möglich, dass eine erste Gruppe an Kompensationsstrukturen einen ersten Abstand und eine zweite Gruppe an Kompensationsstrukturen einen zweiten Abstand usw. vom Zentrum aufweisen. Die Kompensationsstrukturen sind dann jeweils entlang von gedachten Kreislinien um das Zentrum angeordnet. Eine Drehung der Kompensationsstrukturen um einen bestimmten Winkel um das Zentrum führt die Kompensationsstrukturen dann wieder in sich selbst über.It is advantageous if all compensation structures are arranged radially symmetrically about a common center. The compensation structures need not all have the same distance from the center. It is also possible for a first group of compensation structures to have a first distance and a second group of compensation structures a second distance etc. from the center. The compensation structures are then arranged in each case along imaginary circular lines around the center. A rotation of the compensation structures by a certain angle around the center then re-introduces the compensation structures into itself.
Es ist möglich, dass zumindest eine der Kompensationsstrukturen oder mehrere oder alle Kompensationsstrukturen mit mehreren Befestigungspunkten auf dem Trägern und/oder mehreren Befestigungspunkten auf dem MEMS-Bauelement verbunden sind. Eine solche Multi-Punkt-Verbindung erhöht die Ausfallsicherheit der Kompensationsstruktur für den Fall, dass sie sich an einem Befestigungspunkt vom Träger oder Bauelement lösen sollte.It is possible for at least one of the compensation structures or several or all compensation structures to be connected to a plurality of attachment points on the carrier and / or a plurality of attachment points on the MEMS component. Such a multi-point connection increases the resilience of the compensation structure in the event that it should detach at an attachment point of the carrier or component.
Es ist möglich, dass das MEMS-Bauelement einen Körper mit einer Höhe ≤ 700 μm und mit einer Seitenlänge zwischen 0.3 mm und 5 mm aufweist.It is possible for the MEMS device to have a body with a height ≦ 700 μm and a side length between 0.3 mm and 5 mm.
Entsprechend dünne MEMS-Bauelemente können aufgrund der oben beschriebenen Kompensationsstrukturen quasi spannungsfrei über einen weiten Temperaturbereich befestigt werden und tragen zur Gesamthöhe des Moduls im Vergleich mit konventionellen Befestigungen deutlich weniger bei.Correspondingly thin MEMS components can be fastened quasi stress-free over a wide temperature range due to the above-described compensation structures and contribute to the overall height of the module in comparison with conventional fasteners significantly less.
Es ist möglich, dass das MEMS-Bauelement ein elektroakustischer Wandler ist. Der elektroakustische Wandler kann dabei zumindest eine Membran und zumindest eine Rückplatte, einen Körper aus Silizium mit einem strukturierten Hohlraum hinter der Membran und zumindest zwei elektrische Anschlüsse umfassen.It is possible that the MEMS device is an electroacoustic transducer. The electroacoustic transducer may comprise at least one membrane and at least one backplate, a body of silicon with a structured cavity behind the membrane and at least two electrical connections.
Das Modul stellt dabei ein Mikrofon dar, wobei das Mikrofon noch einen weiteren Chip umfassen kann, in dem z. B. ein ASIC integriert ist.The module is doing a microphone, the microphone may include another chip in which z. B. an ASIC is integrated.
Ein solches Mikrofon kann dabei drei oder mehr Kompensationsstrukturen im Modul aufweisen, die rotationssymmetrisch um ein Zentrum angeordnet sind. Der elektroakustische Wandler hat ferner einen Signaleingang, der im Bereich des Zentrums angeordnet ist.Such a microphone can have three or more compensation structures in the module, which are rotationally symmetrical about a center. The electroacoustic transducer also has a signal input located in the region of the center.
Das Material der Kompensationsstrukturen kann dabei im Wesentlichen jedes Material, bevorzugt jedes leitende Material, umfassen, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient kleiner als der Kleinere der beiden Körper ist. Dann gilt: d2 < d1. Alternativ kann der thermische Ausdehnungskoeffizient der Kompensationsstruktur auch größer als der Größere der Ausdehnungskoeffizienten der Körper sein. Dann gilt: d2 > d1.The material of the compensation structures can essentially comprise any material, preferably any conductive material, whose thermal expansion coefficient is smaller than the smaller of the two bodies. Then: d2 <d1. Alternatively, the thermal expansion coefficient of the compensation structure may also be greater than the larger of the expansion coefficients of the bodies. Then: d 2 > d 1 .
Verfahren zur Entwicklung entsprechender Module können dabei die Optimierungs-Software TopOpt verwenden, die an der Technischen Universität Dänemarks (DTU) entwickelt wurde. Insbesondere wenn äußere Zwangsbedingungen eine Abkehr von einem rein eindimensionalen Aufbau erzwingen, z. B. weil eine Schalleintrittsöffnung nicht durch die Kompensationsstrukturen verdeckt sein darf, weil die mechanische Stabilität bezüglich besonders strenger Falltests optimiert sein muss usw., sind softwaregestützte Simulationstools vorteilhaft.Methods for developing such modules can be the optimization software TopOpt developed at the Technical University of Denmark (DTU). Especially when external constraints force a departure from a purely one-dimensional structure, eg. B. because a sound inlet opening must not be covered by the compensation structures, because the mechanical stability must be optimized with respect to particularly stringent drop tests, etc., software-based simulation tools are advantageous.
Es ist möglich, dass die Kompensationsstruktur dazu vorgesehen ist, das MEMS-Bauelement elastisch, d. h. federnd, zu befestigen. Dann können z. B. Beschleunigungsspitzen und/oder Kräfte beim Einbau in ein Telefon aufgenommen werden und mechanisch bedingte Verformungen abgeschwächt oder vermieden werden.It is possible that the compensation structure is intended to elastically, that is, the MEMS device. H. springy, fasten. Then z. B. acceleration peaks and / or forces are absorbed during installation in a telephone and mechanically induced deformations are mitigated or avoided.
Das Modul und die Wirkungsprinzipien der Kompensationsstrukturen werden anhand der schematischen Figuren und anhand von nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen näher erläutert.The module and the principles of operation of the compensation structures will be explained in more detail with reference to the schematic figures and non-limiting exemplary embodiments.
Dabei zeigen:Showing:
Sind die Dimensionen und die Materialien entsprechend gewählt, ergibt sich eine vollständige Kompensation der Längenausdehnung und damit eine vollständige Vermeidung thermisch induzierter Spannungen in dem ganzen Temperaturbereich, in dem sich die Materialien linear mit einer Temperaturänderung ausdehnen.If the dimensions and the materials are selected accordingly, there is a complete compensation of the linear expansion and thus a complete avoidance of thermally induced stresses in the entire temperature range, in which the materials expand linearly with a temperature change.
Der Abstand zwischen den Befestigungspunkten am Träger ist von d2 auf d2' angewachsen:
Beträgt der Abstand der Befestigungspunkte bei der Temperatur der
Die zweite mechanische Verbindung MV2 hat dabei eine Kompensationsstruktur KS mit einem horizontalen Abschnitt HA, der die Längendifferenz Δd bzw. Δd' überbrückt. Relativ zu den Abständen d ist das Material der Kompensationsstruktur KS bzw. deren horizontalen Abschnitts HA so gewählt, dass die unterschiedliche Längenausdehnung Δd' – Δd kompensiert wird. Bei einer linearen Ausdehnung gilt:
Aus (4) und (5) folgt:
Aus (8) und (9) folgt:
Daraus folgt:
Aus Gleichung (11) ergibt sich direkt Gleichung (1).From equation (11) equation (1) results directly.
Hat der Träger T einen größeren Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten als das MEMS-Bauelement MB, so ist d2 > d1. Im umgekehrten Fall (K1 > K2) müsste d1 > d2 sein oder der thermische Ausdehnungskoeffizient der Kompensationsstruktur KS kleiner als der thermische Ausdehnungskoeffizient des Trägers T sein. Anstelle einer Kompensationsstruktur mit kleinem Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten kann der Aufbau umgekehrt werden.If the carrier T has a larger temperature expansion coefficient than the MEMS component MB, then d 2 > d 1 . In the opposite case (K 1 > K 2 ) d 1 > d 2 would have to be or the thermal expansion coefficient of the compensation structure KS be smaller than the thermal expansion coefficient of the carrier T. Instead of a compensation structure with a small coefficient of thermal expansion, the construction can be reversed.
Im Bereich des Zentrums Z hat das Bauelement MB eine Schalleintrittsöffnung. Dabei sind die mechanischen Verbindungen MV so um die Schalleintrittsöffnung gruppiert, dass ein akustisches Signal problemlos empfangen werden kann.In the region of the center Z, the component MB has a sound inlet opening. In this case, the mechanical connections MV are grouped around the sound inlet opening so that an acoustic signal can be received without difficulty.
Die horizontalen Abschnitte HA können dabei leicht gegenüber den Befestigungspunkten auf dem Träger BP-T angehoben sein, damit sich keine mechanischen Spannungen zwischen den horizontalen Abschnitten HA und dem Träger T ausbilden können.The horizontal portions HA can be slightly raised relative to the attachment points on the carrier BP-T, so that no mechanical stresses between the horizontal sections HA and the carrier T can form.
Solche mechanischen Verbindungen können während der Herstellungsprozesse gefertigt werden, indem die horizontalen Abschnitte HA auf ein Opfermaterial auf dem Träger T aufgebracht werden, das nach dem Aufbringen des Materials der horizontalen Abschnitte HA entfernt wird.Such mechanical connections can be made during the manufacturing process by applying the horizontal portions HA to a sacrificial material on the carrier T, which is removed after application of the material of the horizontal portions HA.
Die horizontalen Abschnitte sind dabei – im Gegensatz zur Ausgestaltung der
Das Modul ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Module mit weiteren mechanischen und/oder elektrischen Verbindungen zur Temperaturkompensation oder Module mit weiteren Bauelementen stellen ebenso erfindungsgemäße Realisierungen dar.The module is not limited to the embodiments shown. Modules with further mechanical and / or electrical connections for temperature compensation or modules with further components also represent realizations according to the invention.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- ASICASIC
- ASIC-ChipASIC chip
- BPBP
- Rückplattebackplate
- BP-MBBP-MB
- Befestigungspunkt zum BauelementAttachment point to the component
- BP-TBP-T
- Befestigungspunkt zum TrägerAttachment point to the carrier
- BUBU
- Bump-VerbindungBump connection
- d1 d 1
- Abstand der Befestigungspunkte am MEMS-Bauelement bzw. Abstand der Befestigungspunkte am MEMS-Bauelement vom ZentrumDistance of the attachment points on the MEMS component or distance of the attachment points on the MEMS component from the center
- d2 d 2
- Abstand der mechanischen Verbindungen auf dem Träger bzw. Abstand des Befestigungspunkts der mechanischen Verbindung vom Zentrum auf dem TrägerDistance of the mechanical connections on the support or distance of the attachment point of the mechanical connection from the center to the support
- EAWEAW
- elektroakustischer Wandlerelectroacoustic transducer
- HAHA
- horizontaler Abschnitthorizontal section
- K1 K 1
- Temperatur-Ausdehnungskoefizient des TrägersTemperature expansion coefficient of the carrier
- K2 K 2
- Temperatur-Ausdehnungskoefizient des BauelementsTemperature expansion coefficient of the device
- KK K K
- Temperatur-Ausdehnungskoefizient der KompensationsstrukturTemperature expansion coefficient of the compensation structure
- KSKS
- (Temperatur-)Kompensationsstruktur(Temperature) compensation structure
- l1 1
- Länge des MEMS-BauelementsLength of the MEMS device
- l2 l 2
- Länge des TrägersLength of the carrier
- MM
- Modulmodule
- MBMB
- MEMS-BauelementMEMS component
- MEME
- Membranmembrane
- MLSMLS
- MehrlagensubstratMultilayer substrate
- MVMV
- mechanische Verbindungmechanical connection
- MV1, MV2MV1, MV2
- erste, zweite mechanische Verbindungfirst, second mechanical connection
- TT
- Trägercarrier
- ZZ
- (Symmetrie-)Zentrum(Symmetry) center
- Δd, Δd'Δd, Δd '
- durch die Kompensationsstruktur zu überbrückender horizontaler Abstandto be bridged by the compensation structure horizontal distance
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